圖 1 曲軸1道曲柄銷的宏觀形貌
分享：某型柴油機曲軸開裂原因
曲軸是柴油機最重要的部件之一,也是柴油機中質(zhì)量最大、長度最長的部件,其形狀復(fù)雜、技術(shù)要求嚴格,是柴油機中造價最高的零部件之一。曲軸的作用是將柴油機各缸發(fā)出的熱量匯集起來,并以回轉(zhuǎn)運動的形式傳遞出去。因此在柴油機運轉(zhuǎn)時,曲軸會受到較大的周期性扭轉(zhuǎn)力和彎曲、壓縮載荷力。在多種外力疊加的作用下,曲軸易發(fā)生扭轉(zhuǎn)和彎曲變形,以及裂紋和折斷等故障。曲軸軸頸還容易受到摩擦副的磨損作用。因此曲軸應(yīng)有較高的加工精度和粗糙度,軸頸處應(yīng)具有良好的耐磨性、潤滑性,更重要的是還要有足夠的強度和剛度。
某型柴油機運行時突發(fā)滑油進機低壓報警,隨即發(fā)生滑油進機低壓安保降速和停車。船員停機檢查發(fā)現(xiàn)曲軸的1道曲柄銷處存在2條裂紋(見圖1)。該曲軸使用時間約為21 000 h。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該曲軸開裂的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
曲軸宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：開裂軸段曲柄表面可見大量環(huán)向的磨損痕跡,相鄰的另外兩段曲軸表面均未見明顯的磨損痕跡。
圖 2 曲軸的宏觀形貌
將曲軸沿裂紋人工打開,對斷口進行宏觀觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知： 裂紋源所在位置為曲柄銷和曲拐的過渡R處的腐蝕坑,該處與連桿軸瓦接觸不到,因此可以排除因連桿軸瓦和曲柄磨損造成曲軸開裂的原因；裂紋擴展區(qū)可見明顯的疲勞貝紋線,呈疲勞斷裂的宏觀形貌特征[1]。其他非裂紋源區(qū)域也存在較多的腐蝕坑(見圖4)。
圖 3 曲軸斷口宏觀形貌
圖 4 其他非裂紋源區(qū)域的宏觀形貌
1.2 化學成分分析
在開裂曲軸上取樣并對試樣進行化學成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：開裂曲軸的化學成分符合技術(shù)要求。
Table 1. 開裂曲軸的化學成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | V | H | |
| 實測值 | 0.39 | 0.29 | 0.70 | 0.010 | 0.001 | 1.10 | 0.43 | 0.22 | 0.087 | <0.000 000 6 |
| 技術(shù)要求 | 0.38～0.45 | 0.10～0.40 | 0.65～0.95 | ≤0.010 | ≤0.005 | 0.85～1.35 | 0.30～0.50 | 0.20～0.35 | 0.07～0.12 | ≤0.000 002 5 |
1.3 金相檢驗
在曲軸裂紋源處剖面截取金相試樣,將試樣進行腐蝕處理,然后置于光學顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：曲軸表面與心部的顯微組織均為回火索氏體,顯微組織存在一定偏析。
圖 5 曲軸的顯微組織形貌
1.4 力學性能測試
在開裂曲軸的相鄰軸段上取樣并對試樣進行力學性能測試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：曲軸的各項力學性能均符合相關(guān)技術(shù)要求。
Table 2. 曲軸的力學性能測試結(jié)果
| 項目 | 抗拉強度/MPa | 屈服強度/MPa | 斷后伸長率/% | 斷面收縮率/% | 沖擊吸收能量/J | 心部硬度/HRC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 實測值 | 923 | 764 | 18.5 | 60 | 41,41,40 | 29.5,30.5,30.5 |
| 技術(shù)要求 | ≥880 | ≥700 | ≥12 | － | ≥25 | － |
1.5 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
利用掃描電鏡對曲軸斷口進行觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：裂紋源處被完全擦傷,無法觀察原始裂紋形貌,R處表面可見明顯的腐蝕坑；裂紋擴展區(qū)可見大致平行的二次裂紋及疲勞輝紋,呈疲勞斷裂特征。
圖 6 曲軸斷口的SEM形貌
對裂紋源區(qū)的腐蝕坑進行SEM觀察,并對腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析,結(jié)果如圖7,8所示。由圖7,8可知：腐蝕產(chǎn)物中主要含有氯、硫等腐蝕性元素。
圖 7 腐蝕坑的SEM形貌
圖 8 腐蝕坑的能譜分析結(jié)果
過渡R處其他腐蝕坑的SEM形貌如圖9所示,可見在腐蝕坑底部已經(jīng)有裂紋萌生并擴展。
圖 9 過渡R處其他腐蝕坑的SEM形貌
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知：開裂曲軸的化學成分和力學性能均滿足相關(guān)技術(shù)要求；曲柄表面可見大量環(huán)向的磨損痕跡,開裂起源于曲柄與曲拐過渡R處,該位置無法與連桿軸瓦接觸,因此判斷曲柄表面的磨損是在曲軸開裂后,軸瓦和曲柄間隙變小而產(chǎn)生的異常磨損；裂紋源可見明顯點腐蝕坑,裂紋擴展區(qū)可見貝紋線,因此該開裂為典型的疲勞開裂。疲勞擴展區(qū)可見大致平行的二次裂紋及疲勞輝紋,符合疲勞斷裂的微觀形貌特征。裂紋源的腐蝕坑中可檢測到腐蝕性較強的硫、氯元素,說明曲軸表面在腐蝕介質(zhì)的影響下發(fā)生了點腐蝕。除主裂紋外的其他腐蝕坑底部也可見裂紋的萌生及擴展。
曲軸在曲柄與曲拐之間過渡R表面處發(fā)生了腐蝕,形成了腐蝕坑,同時過渡R處也是曲軸工作時受應(yīng)力較大的敏感位置。
開裂曲軸表面在含有硫、氯等腐蝕性元素介質(zhì)的作用下發(fā)生了點腐蝕,形成了較多的腐蝕坑。曲軸的曲柄與曲拐之間過渡R處為曲軸工作時受應(yīng)力較大的敏感位置,因此過渡R處的腐蝕坑成為疲勞源,在使用過程中,曲軸受到旋轉(zhuǎn)和彎曲交變應(yīng)力的作用,腐蝕坑以疲勞的方式開裂并擴展,最終導(dǎo)致曲軸開裂。曲軸開裂后,曲柄與軸瓦之間的間隙變小,從而使曲軸發(fā)生異常磨損,導(dǎo)致曲柄產(chǎn)生大量環(huán)向摩擦痕跡[2]。
3. 結(jié)論
曲軸開裂的原因為：曲軸表面在腐蝕性介質(zhì)的作用下發(fā)生了點腐蝕,形成較多腐蝕坑,在旋轉(zhuǎn)和彎曲交變應(yīng)力的作用下,腐蝕坑以疲勞的方式開裂并擴展,最終導(dǎo)致曲軸開裂,且曲軸開裂后與軸瓦發(fā)生了相互磨損。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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